Industrie 4.0 im 3D-Sanddruck

Andy Nagy
ExOne GmbH

Seit mehr als 20 Jahren ist ExOne bei industriellen 3D-Druckanlagen mit Binder-Jetting-Technologie weltweit führend. Die Anlagen ermöglichen den 3D-Druck von Pulverpartikeln wie Metall, Sand, Keramik und anderen Werkstoffen, um Formen, Kerne, verlorene Werkzeuge und fertige Funktionsteile herzustellen. 3D-Drucker von ExOne werden von Unternehmen aus den unterschiedlichsten Branchen von der Luft- und Raumfahrt über den Automobilbau bis hin zu den Sektoren Energie und Verteidigung genutzt.

Ein Schwerpunkt der Applikation ist die Herstellung von Sandkern- und Formpaketen für die Gießerei-Industrie. Hierbei kommen unterschiedliche Binder- und Formstoffkombinationen zum Einsatz. Verwendet werden sowohl organische als auch anorganisch, wasserglasbasierte Bindersysteme in Kombination mit natürlichen als auch synthetischen Formstoffen. 

Eine große Herausforderung ergibt sich durch die sehr langen Hauptzeiten der Anlagen, bezogen auf einen Druckjob. Bei einer Druckzeit von bis zu 18 Stunden können sich bereits veränderte Umwelteinflüsse, wie z.B Umgebungstemperatur und Luftfeuchte, auf die spätere Bauteileigenschaften auswirken. Dementsprechend verlangt der Druckprozess nach geeigneten Mitteln zur Beurteilung und Kontrolle der einzelnen Fertigungsprozeßschritte, um die notwendige Prozeßstabilität zu gewährleisten.

Gerade im Hinblick auf die immer größeren Volumenapplikationen, die mit Binder-Jet 3D-Druckern gefertigt werden, ist eine Vorbereitung der Maschinen zur Integration in eine automatisierte Industrie 4.0 Fabrik notwendig. Unabdingbar für einen solchen Automatisierungsschritt ist ein robuster, zuverlässiger und überwachter Druckprozess.

Im Zuge der weltweiten Nachfrage nach selbstlernenden und intelligenten Werkzeugmaschinen, wurde dieser Entwicklung ebenso bei ExOne Rechnung getragen. Unter dem Begriff Industrie 4.0 zusammengefasst werden datenbasierte Systeme in die 3D-Druckanlagen integriert, die eine Vielzahl von qualitätssichernden Maßnahmen innerhalb des Druckprozesses abdecken. Um diese Anforderungen software- und hardwareseitig sicherzustellen, gibt es seit dem Jahr 2019 eine enge Kooperation zwischen SIEMENS und ExOne. Als global Player im Bereich der Steuerungstechnik bietet SIEMENS die ideale Plattform, um die Integration von AI-Algorithmen als Qualitätssicherungstool und Cloud-Monitoring zur ortsunabhängigen Sammlung aller prozesswichtigen Parameter zu ermöglichen. Die Bereitstellung gesammelter Maschinendaten wird hierbei über eine physisch getrennte Schnittstelle ermöglicht. Nachfolgend kann eine kundenindividuelle Auswertung und Aufbereitung erfolgen, welche der Kunde seinem jeweiligen Datenbanksystem anpassen kann.

Das Konzept der Qualitätssicherung, Prozessüberwachungs- und -optimierungbasiert hierbei auf 3 Säulen
Diese werden im Laufe des Vortrags anhand von Beispielen und Anwendungsmöglichkeiten weiter vertieft:

1. Qualitätssicherung durch Kamera und KI unterstützte Defekterkennung beim Schichtaufbau und Schichtdruck

Die Implementierung einer Baufeldkamera ermöglicht die Soll-Ist-Kontrolle zwischen dem real gedrucktem Schichtbild und dem datentechnisch, für die jeweilige Schicht, vorhandenem Soll-bild. In Kombination mit einem selbstlernenden Steuerungssystem, kann damit also nicht nur die reine Erfassung von möglichen Schichtfehlern dokumentiert werden, sondern darüber hinaus intelligente Methoden zur Fehlerkorrektur ausgelöst werden. Beispiele hierfür wären z.B. das gesteuerte Starten einer außerplanmäßigen Reinigungsroutine des Auftragsmechanismus, bei eventuellem Auftreten von Fehlstellen im Sandbett oder auch die Veranlassung von mehrmaligen Drucküberfahrten des Druckkopfes im Falle von Düsenfehlfunktionen.

Die direkten Vorteile dieser AI-Algorithmen liegen auf der Hand: Bei hohen Maschinenhauptzeiten von bis zu 18h pro gedruckter Jobbox, können intelligente Systeme der Prozessüberwachung enorme Einsparungen hinsichtlich der Ausschussquote fehlerhafter Teile erzielen.

2. Cloud unterstützte online Prozessüberwachung

Die Möglichkeit über eine cloudbasierte Anwendung die wichtigsten Parameter des aktuellen Druckauftrag live zu verfolgen. Ziel ist es dem Benutzer die Möglichkeit einer aktuellen Beurteilung des momentanen Druckauftrages zur Verfügung zu stellen. Live-Informationen wie z.B Restdauer bis zum Ende des Jobs, Füllstände der benötigten Druckmedien, Temperatur innerhalb des Bauraumes, etc. ermöglichen es dem Kunden jederzeit den aktuellen Job-Status abzurufen und auch bei eventuell sich abzeichnenden Problemen schnell Gegenmaßnahmen einzuleiten. Die Daten werden dabei über eine App dem Nutzer auf dem Desktop, dem Smartphone, einem Tablet oder einer Smartwatch visualisiert.

3. Prozessdatenerfassung zur Prozessoptimierung durch SPC

Das PM-Quality Softwaretool stellt die Schnittstelle zwischen der Ausgabe der Maschinen- und Druckparameter und datenbankbasierten Auswertetools dar. Über die Langzeitaufnahme von einzelnen Daten der jeweiligen Druckjobs, können individuelle Auswertungen erzeugt werden. Diese Auswertungen sind essenzieller Bestandteil einer Fehlereinflußanalyse, welche wiederum ein enormes Potential für Prozessverbesserungen darstellt. Durch die Korrelation und statistische Auswertung von unterschiedlichsten Datensätzen, Parametern und eventuell auftretenden Fehlerbildern, erschließt sich ein enormes Potenzial für ein umfassendes Prozessverständnis. Damit einhergehend erschließen sich umfassende Möglichkeiten zur gezielten Fehlererkennung und auch vorbeugenden und damit aktiv ausgelösten Fehlervermeidungsstrategien.

Andy Nagy